¿Qué es una disolución estándar?

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Una disolución estándar es cualquier disolución cuya concentración es conocida con un grado aceptable de precisión y exactitud. Se trata de disoluciones de uso cotidiano en el campo de la química analítica y se utilizan en muchas aplicaciones de análisis químico, que van desde las valoraciones o titulaciones volumétricas hasta la preparación de curvas de calibración para el análisis instrumental.

En principio, cualquier disolución puede considerarse una disolución estándar, siempre y cuando se conozca su concentración y se tenga una certeza razonable de que la misma permanecerá aproximadamente constante durante el tiempo en el que se utilice. Esto implica que los solutos en las disoluciones estándar deben tener un grado mínimo de estabilidad que evite que se descomponga o se transforme en otro compuesto antes de utilizarse la disolución.

Propiedades de las disoluciones estándar

Además de poseer una concentración conocida, las disoluciones estándar deben poseer algunas propiedades particulares que dependen en gran medida del tipo de análisis químico para el que serán utilizadas. Por ejemplo, en el caso de las disoluciones estándar utilizadas en las técnicas de volumetría (titulaciones ácido/base, redox, etc.), las disoluciones estándar deben:

Permanecer estables por períodos suficientemente largos de tiempo, asegurando así que su concentración permanezca constante durante el análisis.
La concentración debe ser comparable con la concentración sospechada del analito (la sustancia que se analiza). De lo contrario, la titulación tendrá un mayor margen de error.
Deben reaccionar cuantitativamente con el analito o la sustancia cuya concentración se está determinando. Esto implica que la reacción debe ser completa.
Solo debe ocurrir una reacción química representable por una ecuación química ajustada. Es decir, no debe haber reacciones colaterales indeseadas ni con el analito ni con los demás componentes de la matriz de la muestra.
La reacción con el analito debe ser rápida.

Para otras aplicaciones de las disoluciones estándar tales como las curvas de calibración para el análisis instrumental (en técnicas como la espectroscopia de absorción o emisión atómica, absorción UV-visible, etc.), estas disoluciones no necesariamente requieren tener las mismas propiedades.

Por ejemplo, en el caso de las curvas de calibración, las disoluciones estándar no reaccionan con el analito, sino que contienen al analito en concentraciones conocidas para así establecer la respuesta instrumental para dichas concentraciones (a lo que se conoce como curvas de calibración) y así poder luego determinar la concentración del analito en la muestra por extrapolación. En estos casos se requiere de una serie de disoluciones estándar con concentraciones tanto mayores como menores que la concentración esperada del analito.

En otros métodos analíticos conocidos en conjunto como técnicas de retroceso, las disoluciones estándar se agregan en cantidades conocidas al analito para que las sustancias reaccionen entre sí y luego se titula o determina de otra manera el exceso del patrón agregado. En estos casos, no es necesario que la reacción con el analito sea rápida ya que la misma solo ha de ocurrir una vez antes del análisis del exceso, y no luego de cada adición de titulante durante el análisis volumétrico en sí.

Tipos de disoluciones estándar

Dependiendo de las características del soluto y de su estabilidad química en el tiempo, podemos distinguir dos clases de disoluciones estándar, las disoluciones estándar primarias y las secundarias.

Disolución estándar primaria

Una disolución estándar primaria es una disolución preparada a partir de un patrón primario. Este consiste en una sustancia química de alta pureza que permanece estable en el tiempo, por lo que la concentración de sus disoluciones es constante. Los estándares primarios poseen las siguientes características generales:

Son reactivos de alta pureza que no se contaminan espontáneamente con las sustancias presentes en la atmósfera.
Poseen una composición conocida con precisión, es decir, conocemos su fórmula química, su pureza y la identidad y concentración de los contaminantes principales.
Son sustancias estables químicamente tanto en estado puro como en disolución. Esto asegura que los cálculos estequiométricos llevados a cabo a partir de la masa o volumen del reactivo puro serán exactos, y que la concentración así calculada de las disoluciones que preparemos (las disoluciones estándar primarias) será constante.
No deben absorber vapor de agua ni otros gases de la atmósfera y se deben poder secar en una estufa hasta peso constante sin que se descomponga para eliminar cualquier rastro de humedad.
Idealmente, poseen un peso equivalente alto. Esto minimiza los errores de pesaje ya que se requiere pesar una mayor masa de reactivo para la misma concentración normal final.
Deben reaccionar rápida y estequiométricamente con el analito.

Las disoluciones estándar primarias son las disoluciones ideales para el análisis químico ya que se pueden preparar directamente por pesaje y disolución (y, de ser necesario, dilución) y su concentración se puede determinar directamente a partir de la masa del reactivo puro y el volumen final de disolución. Esto permite que estas disoluciones se puedan utilizar para el análisis químico directamente, sin la necesidad de preparar disoluciones adicionales o de llevar a cabo otros pasos de estandarizado. Sin embargo, muchos patrones primarios resultan costosos por el alto grado de pureza que se requiere.

Disolución estándar secundaria

Los patrones primarios son los reactivos ideales para el análisis químico, pero no siempre es posible encontrar un patrón primario adecuado para ciertos métodos analíticos. Adicionalmente, en muchos casos, en especial en el análisis rutinario de muestras el costo del patrón primario resulta prohibitivamente alto, en especial considerando que existen otras sustancias que, si bien no cumplen todas las condiciones para ser patrones primarios, poseen las características químicas adecuadas, pero a un mucho menor costo. Estos son los patrones secundarios, y las disoluciones preparadas a partir de los mismos se denominan disoluciones estándar secundarias.

Los patrones secundarios son sustancias que reaccionan rápida y cuantitativamente con el analito, pero que no cumplen con las demás condiciones para ser un patrón primario. En algunos casos, los patrones secundarios no se pueden obtener con un nivel adecuado o siquiera conocido de pureza ya que no son completamente estables químicamente en la atmósfera.

Un ejemplo típico es el hidróxido de sodio, el cual es un reactivo de bajo coste que absorbe agua y dióxido de carbono de la atmósfera reaccionando con ambos para convertirse en carbonato de sodio. Es decir que el hidróxido de sodio siempre está contaminado con carbonato de sodio, y lo mismo sucede con sus disoluciones acuosas.

En el caso del ácido clorhídrico, este tampoco es un patrón primario ya que tanto las disoluciones comerciales como las disoluciones estándar utilizadas en el análisis químico lentamente pierden soluto en forma de cloruro de hidrógeno gaseoso.

Preparación de disoluciones estándar

Por disolución de reactivos puros

La manera más simple y directa de preparar una disolución estándar es pesando el reactivo puro en una balanza analítica bien calibrada (para asegurar una buena exactitud) y que tenga una buena apreciación del orden de 0,1 mg (10^-4 g) y luego disolviéndola en una cantidad final conocida de disolución (por medio del uso de un balón o matraz aforado). En el caso de reactivos líquidos, estos se suelen medir con el uso de pipetas volumétricas, aunque también se pueden pesar, siempre y cuando no sean demasiado volátiles.

Después se llevan a cabo los cálculos pertinentes para determinar la concentración real de la disolución a partir de la masa realmente pesada del reactivo, y no de la masa calculada con anterioridad. En otras palabras, si calculamos que requerimos pesar 0,1382 g de carbonato de sodio para preparar 1 L de disolución estándar 10^-3 molar pero pesamos 0,1389 g, debemos utilizar la última masa (la que realmente pesamos) y no la primera en el cálculo de la concentración de la disolución estándar.

Como se mencionó anteriormente, solo las disoluciones estándar primarias se pueden preparar directamente por pesaje y disolución, ya que solo con los patrones primarios tenemos seguridad de que la masa que pesamos realmente corresponde al reactivo.

Por dilución de disoluciones concentradas

Una segunda forma muy común de preparar disoluciones estándar es por medio del procedimiento de dilución. En este caso, se toma un volumen medido con una pipeta volumétrica y se transfiere a un balón o matraz aforado de capacidad adecuada y se diluye hasta la marca de aforo con agua o con el disolvente que se esté trabajando.

Las soluciones concentradas en algunos casos están disponibles comercialmente o se pueden preparar por pesaje y disolución directa como se explicó en el apartado anterior.

Por estandarización contra un patrón primario

En los casos de las disoluciones estándar secundarias, estas no se pueden preparar directamente por pesaje y disolución del reactivo puro por las razones explicadas anteriormente. Esto se debe a que, por la presencia de distintas impurezas y debido a la inestabilidad del reactivo o de sus disoluciones, la concentración calculada a partir de las cantidades medidas de reactivos puede alejarse considerablemente de la concentración real de la disolución. En otras palabras, a pesar de que pesamos con mucha precisión y con toda la exactitud posible los reactivos para preparar la disolución, en realidad no conocemos la concentración verdadera de la disolución. Esto implica que estas no son aún disoluciones estándar.

Por esta razón, en estos casos, luego de preparada la disolución del patrón secundario, se debe llevar a cabo un análisis químico para determinar la concentración real de esta disolución utilizando otra disolución estándar (de concentración ya conocida). A este proceso se le conoce como estandarización ya que, una vez determinada la concentración real de la disolución, esta se convierte en una disolución estándar. Pero, en vista de que esta disolución se estandarizó a partir de otra disolución que consiste en una disolución estándar primaria, a las disoluciones estandarizadas se les denomina disoluciones estándar secundarias.

Ejemplos de soluciones estándar

Ejemplos de estándares primarios comunes

Existe una gran cantidad de estándares primarios utilizados para preparar disoluciones estándar primarias para ser utilizadas en distintos tipos de análisis químico. A continuación, se presentan algunos ejemplos de estos reactivos junto con la clase de método analítico para el que se utilizan:

Carbonato de sodio (Na₂CO₃): Es una sal muy estable que sirve de patrón primario para la titulación de ácidos por volumetría.
Ftalato ácido de potasio (KC₈H₅O₄): Esta sustancia posee un peso molecular alto de 204,22 g/mol y es una sustancia estable, no higroscópica que sirve de patrón primario para la titulación de bases.
Dicromato de potasio (K₂Cr₂O₇): El dicromato de potasio es una sal muy estable tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas. Sus disoluciones son estables durante años si se toman las previsiones necesarias para evitar que se evapore el solvente. Esta sustancia es un oxidante fuerte por lo que puede utilizarse como patrón primario en la titulación redox de agentes reductores.
Oxalato de sodio (Na₂C₂O₄): Nuevamente, se trata de un patrón primario para valoraciones redox. El oxalato es un agente reductor que se oxida rápidamente a dióxido de carbono en presencia de un oxidante, por lo que es un patrón primario adecuado para determinar la concentración de agentes oxidantes.
Nitrato de plata (AgNO₃): El nitrato de plata es un ejemplo de un patrón primario de uso común en la determinación de plata por espectroscopía de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente (ICP-AES por sus siglas en inglés). Se utiliza principalmente por su pureza, su estabilidad y su alta solubilidad en agua.

Ejemplos de estándares secundarios comunes

Cada uno de los patrones primarios mencionados anteriormente pueden utilizarse para estandarizar alguno de los siguientes ejemplos de patrones secundarios:

Hidróxido de sodio (NaOH): como se explicó antes, el hidróxido de sodio reacciona lentamente con el dióxido de carbono del aire formando carbonato de sodio, por lo que las disoluciones no son perfectamente estables. Esta sustancia sirve como estándar secundario en la titulación de ácidos tanto fuertes como débiles.
Ácido clorhídrico (HCl): Las disoluciones de ácido clorhídrico se utilizan como estándares para la determinación de distintas bases tanto fuertes como débiles. Sin embargo, al igual que el NaOH, las disoluciones de HCl no son estables a largo plazo, por lo que no son patrones primarios.
Permanganato de potasio (KMnO₄): el permanganato es un agente oxidante muy fuerte y es uno de los titulantes más comunes utilizados para la determinación de especies reductoras en titulaciones redox. Sin embargo, a pesar de que el permanganato en sí no es inestable en la atmósfera y de que se puede obtener con buen grado de pureza, es un oxidante tan fuerte que puede oxidar al agua hasta oxígeno molecular, reduciéndose el permanganato a dióxido de manganeso sólido. Esta reacción es muy lenta, pero hace que las disoluciones de permanganato no sean totalmente estables, por lo que no sirven como estándares primarios.
Tiosulfato de sodio (Na₂S₂O₃): El tiosulfato de sodio es un agente reductor que se utiliza en titulaciones redox para la determinación de distintos analitos oxidantes. A pesar de que las disoluciones acuosas son muy estables, la sal comercial, que siempre corresponde a la sal pentahidratada de fórmula Na₂S₂O₃ ·5H₂O, tiene la tendencia a perder las aguas de hidratación, razón por la cual no sirve de patrón primario. Las disoluciones de tiosulfato de sodio se suelen estandarizar con una disolución de dicromato de potasio, o, en su defecto, con una disolución estandarizada de permanganato de potasio.

Referencias

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